作者：Bird
上一回【Maker電子學】I2C 界面解密 — PART 1，我們聊了 I2C（以下寫為 I2C）界面的發展歷史，以及它的實體層訊號格式，這一次我們要進入 I2C 通訊邏輯的底層，來看看它在這個只有兩根線的 Wired-AND 線路上，是利用什麼樣的邏輯訊號進行通訊。
八位元時代的痕跡 #
I2C 和 SPI 一樣，都是在 8-bit CPU 當道的年代發展出來的東西，因此它的傳輸單位和 SPI 相同，都是以 byte 為單位。每一次 I2C 的傳輸可以包含很多個 bytes，但它最基本的單位就是 byte，每一個 byte 的後面會附加一個額外的 bit，稱為「acknowledge bit」，它是接收方用來通知傳送方「是的，我收到前面這個 byte 的資料了」或是「好了！夠了！別再送資料了」。大部分的 acknowledge bit 都屬於第一種狀況，只有少部分的通訊方式會用到第二種，我們之後說明通訊協定時會再詳述。
除了資料外，I2C bus 上還有另外兩種狀態，分別稱之為「start」和「stop」，用來指示傳輸的開始與結束。I2C 是 master/slave 的結構，所有的通訊只能由 master 發起，但由於 I2C 允許 bus 上可以有多個 master，而為了避免這些 master 們同時發起傳輸而打架，start 和 stop 便成為它們之間溝通協調的重要機制。
基本時序 #
下圖是 I2C 傳輸一個 byte 時的典型時序圖：
（圖片來源：Bird 提供）
I2C bus 上的邏輯訊號有幾個原則：
- I2C bus 為 idle high：當 bus 上沒有任何活動時，SCL 和 SDA 都維持在 high
- SCL 為 high 時，表示 SDA 上的資料為有效，此時 SDA 的狀態不能改變，以確保接收方可以取樣到正確的 SDA 狀態
- SCL 為 low 時，SDA 的狀態可以改變
- 當 SCL 為 high 時，如果 SDA 變動，有兩種特殊狀況：SCL high、SDA 下降—START；SCL high、SDA 上升—STOP
因為 I2C bus 為 idle high，當一個 master 要發起傳輸時，它會先把 SDA 拉到 low，而 SCL 維持不變，這時，根據上面的第 4 個原則，這是一個 START 狀態，也就是用來通知 bus 上的其它裝置，有一個傳輸要開始了。
接下來，master 會開始切換 SCL 訊號，在 SCL 上造出連續 8 個方波。根據上面的第 2 個和第 3 個原則，當 SCL 為 low 時，master 會變動 SDA 的狀態，以便讓要傳送的資料出現在 SDA 上，而當 SCL 為 high 時，SDA 的狀態就會保持不動，以便接收方讀取到 SDA 的狀態。
至於接收方會在什麼時候讀取到 SDA 的狀態呢？它可以在 SCL 為 high 時的任何一個時刻去讀取 SDA。對，就是整段 SCL 為 high 時，那一段 SCL 平平的時間，接收方都可以讀取 SDA，如下圖所示：
（圖片來源：Bird 提供）
說到這裡，大家有沒有覺得有件事怪怪的？一般用 clock 訊號控制通訊時，資料取樣的時間都規定在 clock 的上升緣或下降緣的那一瞬間，就像我們之前聊過，SPI 在 CPOL = 0 時，會在 clock 的上升緣讀取 MISO/MOSI 上的狀態（它其實也只有在 clock 變化時取樣的那一瞬間，加上前面一點點的 setup time、後面一點點的 hold time 保持不變，時間非常短暫）。
但 I2C 的資料取樣看起來卻非常隨性，只要在 SCL 為 high 的期間，接收方都可以讀取 SDA，沒人管你在這段時間中的哪一個 moment 讀取，反正根據前面的第 2 個原則，在這段時間內 SDA 不能變動，不管哪個 moment 讀取，都應該要讀到一樣的結果。
像 SPI 那樣利用 clock 訊號的邊緣取樣的系統，稱之為同步（synchronous）的通訊系統，這種系統因為有明確的資料取樣點，要設計成較高速的傳輸系統相對來說較為容易；相對來說，I2C bus 上的 SCL 訊號沒有那麼像同步通訊系統中的 clock，反而比較像邏輯的狀態訊號，用來指示接收方「現在可以取樣」或「現在不能取樣」以及「現在是特別狀態的 START 或 STOP」。
因此嚴格來說，I2C 並不是一個同步的通訊系統，其 SCL 訊號的工作方式也和一般通訊系統中的 clock 訊號不太一樣（儘管它還是稱為 clock），這樣的設計雖然造成日後 I2C 要升級到高速版本時的困難，但當年飛利浦半導體這麼設計是有它的目的的，我們之後談到通訊協定的細節時會再詳細說明。
很重要的 Acknowledge #
每一個 8-bit 的資料傳輸結束後，會跟著一個 acknowledge bit。這個 acknowledge bit 固定由接收方產生，有兩種用法：
- 當 master 是傳送方、slave 是接收方，也就是說這個傳輸是 master 寫入資料到 slave 時，這個 acknowledge bit 是用來讓 slave 告訴 master「收到！了解！正確！」
- 當 master 是接收方、slave 是傳送方，也就是說這個傳輸是 master 從 slave 讀取資料時，這個 acknowledge bit 是用來讓 master 告訴 slave「我還要接著讀，請繼續準備下一筆資料」或者是「夠了，我讀完了」。
為什麼會有這樣的差別呢？因為 I2C 的傳輸都是由 master 發起的！如果接收方是 slave，那麼 master 可以藉由讀取這個 acknowledge bit 來知道 slave 有沒有收到資料，進而決定下一步的動作；如果傳輸的過程中發生錯誤，導致 slave 沒有收到資料時，master 就可以先結束這一個傳送，重新來過，或是要回報錯誤什麼的。
但如果接收方是 master，也就是這是一個 master 對 slave 的讀取週期，master 在收到資料後對 slave 發送 acknowledge 其實沒有什麼意義，因為就算 master 沒有收到 slave 送來的資料，slave 也不能做什麼，整個傳輸的控制權還是掌握在 master 手上，因此在 master 對 slave 的讀取週期中，acknowledge bit 並不是用來 acknowledge，而是 master 用來通知 slave 是否需要準備下一筆資料。
Acknowledge bit 的狀態定義是：low 或者 0 是「好、OK、收到、請繼續」；high 或者 1 則是「出錯了、沒有人在家、不要繼續」。
用 Address 點名 #
I2C 是一個多裝置的 bus，因此每當 master 發起傳輸時，它得先點名，就像老師叫特定座號的同學回答問題一樣，而這個座號就是我們上次提過的 I2C address。在最早的 I2C 規格中，I2C address 是 7-bit，同一個 bus 上不可以有兩個 address 一樣的 slave 裝置，因此 I2C bus 上最多可以有 128 個 slave 裝置，實務上有一些 address 是保留的不能使用，因此可用的數量會比 128 略少一點（另外，I2C 還有一種 10-bit address 的模式，我們後面講協定的時候再詳述）；至於 master，它沒有、也不需要 I2C address，因為沒有人會點名老師起來回答問題。
因此所有的 I2C 傳輸週期，第一個 byte 都是用來點名的，它的內容就是被點到裝置的 address。
（圖片來源：Bird 提供）
而伴隨著 7 個 bit 的 slave address 而來的第 8 個 bit，則是一個表示讀或寫的 bit，0 是寫入、1 是讀取；其中點名的 byte 永遠是寫入，因此在這裡 R/W bit 的值一定是 0。
當我們要和一個 I2C 裝置通訊時，首先得知道它的 I2C address，才能送出正確的點名 byte，但當我們查閱裝置晶片的資料時，常常會有個容易搞混的狀況，比方說一個晶片的 I2C address 是 0x20（二進位的 00100000），如果這個 0x20 叫做「7-bit I2C address」，就代表 0x20 佔據的是上圖的 bit 1 到 bit 7，如果再加上一個為 0 的 R/W bit，實際上要送出的資料就會是 0x40，也就是二進位 0100000 後面再加一個 0。
但如果這個 0x20 叫做「8-bit I2C address」，就代表它已經包含了那個 R/W bit，因此當你要點名寫入時，就直接送 0x20，而要點名讀取時，則要把最後一個 bit 變成 1，稱為 0x21。
至於 IC 的 datasheet 上寫的地址到底是 7-bit address 還是 8-bit address 呢？通常它會寫明白，但偶爾會遇到一些寫得不清不楚的 datasheet，就需要一些智慧來理解了。
當 master 在點名時，它會一邊切換 SCL 訊號，一邊送出 8 個 bit 的點名地址，在第 8 個 bit 的 SCL 週期結束後，master 會把 SDA 設成 high，這時候就輪到 slave 表演了。我們上次說過，以 Wired-AND 方式接在一起的 I2C bus，當輸出 high 時，其實就是放手不去驅動 bus，此時 slave 如果有正確收到前面送來的點名 byte，它就會在第 8 個 SCL 週期結束後（SCL 變為 low 時），開始驅動 SDA，將 SDA 拉到 low；而 master 則會在 SCL 進入第 9 個 high 週期時，去讀取 SDA 的狀態，看看 slave 有沒有把 SDA 拉下來，如果有的話，就代表點名成功，可以繼續下面的傳輸。
如果 slave 有任何狀況，或是 bus 上面根本就沒有那個 address 的 slave 裝置，到了第 9 個 SCL 週期時，當 master 放掉 SDA 後，就沒有人去驅動 SDA，這時 SDA 就會因為 pull-up 電阻的關係維持在 high，如此一來，master 就知道出問題了，不會繼續接下來的傳輸，而要進行錯誤處理，這種情況稱之為「non-acknowledge」，或簡稱為「NAK」。
小結 #
以上就是 master 在 I2C bus 上發起傳輸的第一個步驟：點名。接下來根據要寫入或讀取的方式不同，會有一些不同的傳輸協定和狀態，我們下一回再繼續探討接下來的協定。
（責任編輯：賴佩萱）
